다중우주의 급팽창과 인플레이션 논란

 

다중우주 인플레이션 이론

최초의 난 아무것도 없었는데

빅뱅이론에 최첨단 버전이라 할 수 있는 인플레이션 이론 1981 년

mit 교수 앨런 구스 가 이를 발표하자 당시의 내로라 하는 과학자들이

양손을 들고 환영했다

우주론의 가장 중요한 문제를 마침내 구스가 해결했다

이토록 간단한 아이디어를 왜 생각해내지 못했을까

그토록 아름다운 이론이 틀린 것으로 판명 된 사례는 단 한번도 없었다

대관절 인플레이션 이론이 뭐 길래 이렇게 날릴까 인플레이션을 영어

사전에서 찾으면 제일 먼저 팽창 이라고 나온다 이름만 본다면 빅뱅 이나

인플레이션이 나 그게 그거 아닌가

아까 인플레이션 이론을 빅뱅이론 의 최첨단 버전 이라고 했는데 뭐가

달라진 거지 앞에서 과학자들이 쏘다 는 천사들을 모아보자

그러면 인플레이션 이론이란 우주론의 가장 중요한 문제를 이토록 간단한

아이디어로 그토록 아름답게 해결한 이론 이라는 얘긴데 당시 우주론의 가장

중요한 문제는 무엇이 얻고 있도록 간단한 아이디어는 또 무엇이 없고

그리고 정말 그거 록 아름답다고 까지 할 수 있는 이론이 었는지 살펴보기로 하자

원래 인플레이션 이란 통화 팽창 을 의미하는 경제학 용어 다 돈이

많아져서 화폐 가치가 하락하고 물가가 상승하는 현상이다

경제학에서 의 인플레이션이 통화 팽창이 라면 과학에서는 국한 팽창 이다

하지만 인플레이션 이론 이라고 명명되는 순간 그냥 평범한 공간 팽창이 아니다

상상을 불허하는 엄청난 속도의 팽 장이다 대충 11 - 35 제곱 초

동안 e240 째고 때쯤 팽창 했단다 10의 마이너스 35 제국 초 라면

10의 35 제곱 뿐 의 1초 다 이건 시간이라고 할 수도 없다

게다가 이에 240 째고 빼라 상상하지 말자

이건 인간이 알고 있는 어떤 종류의 팽창이 나 폭발 과도 다르다 우리말로

옮길 때 팽창 이론이라고 하지 않고 굳이 그 팽창 이론 이라고 부르는 이유다

그리고 이게 바로 이토록 간단한 아이디어 약간 다 간단하지만 황당하고

터무니없고 어이도 없다

그렇게 똑똑한 과학자들이 이런 말도 안되는 얘기를 믿었다고 빅뱅 우주론의

대체 무슨 일이 있었던 걸까

1915년 아인슈타인의 일반 상대성 이론이 발표되고 1929년 허브 리

우주가 팽창 한다는 것을 관측한 후 소위 빅뱅우주론 은 우주론의 맹주로 떠올랐다

빅뱅 구조 런 의 기본 아이디어는 시계를 거꾸로 돌리는 거다

만일 우주가 팽창하는 것이 사실이라면 시간을 거꾸로 돌려 최 치 우주까지 가 보자는 얘기다

폭탄이 터지는 영상을 거꾸로 돌렸다 고 생각하면 된다

빅뱅은 우주의 공간 자체가 팽창한 것이라서 시간을 거꾸로 돌리면 결국

모든 것이 아주 작은 공간을 모여 있던 순간 에 도달하게 된다

여기서 빅뱅 하고 만물이 쏟아져 나와 딴 얘기다

하지만 당장 떠오르는 질문이 있다 우주의 이 많은 물질들이 어떻게 그렇게

작은 공간 속에 들어갈 수 있었을까

지구를 압축한다 고 상상해 보자 광활한

우주에서 볼 때 지군은 티끌 보다도 작은 존재가 하지만 그 작은 지구

마저도 반경 1cm 까지 압축하면 블랙홀로 변신한 바

태양은 지구보다 훨씬 커서 환경이 3km 만 돼도 블랙홀이 된다 그렇다면

우주로 압축한 다는 것은 우주를 일찌감치 블랙홀로 바꿔서 거기에 모든

물질들을 우겨 놓겠다는 말일까

블랙홀은 모든 물질을 빨아들일 수 있으니까 그렇다면 최초의 우주가 거대한

블랙홀이 어떠한 얘기인데

이건 좀 이상하다 왜냐하면 블랙홀은 물질을 빨아들이기 는 해도 결코 뱉어

낼 수는 없으니까

따라서 시간을 과거로 돌려도 블랙홀에서 지금의 우주가 만들어질 수는 없을 것 같다

그렇다면 이를 어쩐다 방법은 하나밖에 없다

에너지와 물질을 새로 만들어서 팽창 하는 거다 그러면 엄청나게 많은

물질을 한 곳을 구겨 넣어야 하는 일은 생기지 않는다

하지만 이 객 또 문제다 새로운 에너지와 물질이라면 이건 당장 에너지

보존 법칙에 위배되는 것 아닌가 그래서 앨런 구스 는 이를 공짜 점심 문제 라고 불렀다

아마도 9 쓰는 평소 경제학에 관심이 많았던 모양이다 공짜 점심은 없다

라는 말도 노벨 경제학상 수상자인 밀턴 프리드먼 이 사용해서 유명해졌다

겉으로는 공짜로 보여도 알고 보면 결국 누군가의 호주머니에서 나온 톤 일

수밖에 없단 얘기다 과학 에서도 공짜 점심은 없다

세상에 공짜 점심은 없다 의 물리 버전은 우주의 공짜 에너지는 없다 이고

이게 바로 에너지 보존 법칙 이다

그리고 우리가 알다시피 공짜 에너지의 대표적인 예가 연구기관이다 과거

수많은 사람들이 연구기관을 고안 해 보려고 혈안이 돼 썼는데 결국은 불가능하다는 결론

공짜 에너지가 없으면 연구 기관도 없다 하지만 그 팽창 이론에 따르면

우주에는 공짜 점심 이 있다

얘기는 인 플라톤 이라는 아주 이상한 물질에서 시작된다

만물이 나은 태초의 알 정도로 생각하면 되겠다 그런데 이게 정말 알처럼

이런식으로 팬츠 한다

아주 작은 수정란이 세포분열을 에서 커지는 것과 같다

하지만 우리와 같은 생명에게 공짜 점심 따위는 없어서 세포는

외부환경으로부터 끊임없이 에너지와 물질을 얻어야 생장 알 수 있다

하지만 이 태 최아름 팽창하면서 스스로 에너지와 물질을 만들어낸다

스스로 에너지와 물질을 만든다 고 이쯤 되면 이건 완전 사기 캐릭터다

아무것도 없는데서 도대체 무슨수로 에너지와 물질을 없는 다는 말인가

아주 간단히 말하면 모든 것은 인 플라톤과 중력의 마법이다 이를

이해하려면 먼저 인 플라톤이 두 개의 얼굴을 가졌다는 걸 이해한다

일반적인 물질은 그 질량에 의해 서로 당기는 중력으로 만 상호 작용한다

하지만 인 플라톤은 그 이름이 말해주듯 팽창하는 힘 즉 밀어내는 힘으로

도 작용한다 그러면서 동시에 임플란트 톤 의 질량은 당기는 힘으로 더

작용한다 만일 두 힘이 똑같다면 서로 상쇄되어 아무 일도 일어나지 않을 것이다

그런데 엘람 것은 은인 플라톤에 밀어내는 힘이 당기는 힘보다 세 배쯤 더

크다는걸 계산해도 꼭 따라서 스스로 폭발하듯이 팽창할 수 있다는 것을 밝혔다

이런 야누스적인 성격 말고도 임 플라톤은 또 다른 괴상망측한 성질이 있다

원래 보통 물질이라면 팽창 하면 그 밀도가 줄어야 한다 옥수수를 튀겨

팝콘이 되면 가벼워 지는 것과 같다

질량이 추가되어 밀도가 유지 된다는 말이다

팝콘이 튀겨져 도 밀도가 똑같은 이 무거운 팝콘이 계속 생기는 셈이다

어찌된 일일까 이러한 마법은 그 팽창 물질이 중력과 상호 작용하면서 완성된다

여러분 이 땅에서 무거운 돌을 들어 올리려면 돌의 에너지를 주입해야 한다

즉 지구 중력장 에서 물체를 멀리 떨어지게 하려면 에너지가 투입되어야 한다

마찬가지로 중력장 에서 물질이 팽창 한다는 얘기는 중력이 그 물질의

자연스럽게 에너지를 투입한다는 의미다

그리고 이 에너지가 이는 엠씨스퀘어 에 의해 질량으로 바뀐다 이런식으로

임 플라톤은 팽창하면서 에너지와 질량을 계속 새롭게 만들어낸 다임

플라톤이 중력장 에서 에너지를 며 질량을 추가하고 이 늘어난 질량이 다시

팽창을 일으키고 그러면 다시 중력이 임 플라톤을 잡아당겨 에너지를

주입하는 격이다 그래서 그 팽창 이론의 창시자 앨런 부스는 이를 궁극적 공짜 점심 이라고 불렀다

이건 마치 피라미드 3개 것과 비슷하다 자 다음은 모두가 만원어치 공짜

점심을 먹을 수 있는 피라미드 4개국에 간단한 예이다

도표에서 피는 시와 d 로부터 각각 만원씩 받아 a 에게 만 원을 준다

그리고 c 와 d 도 각각 아래쪽 두 사람에게 만원씩 받아서 비에게 만

원을 준다 이렇게 되면 모든 사람에게 공짜 점심값 만원이 주어지는 셈이다

피라미드의 아래쪽으로 내려갈수록 공짜 점심을 먹는 사람의 수가

기하급수적으로 늘어난다

이거 정말 괜찮은 방법인데 라고 생각하셨다면 작가 피라미드 사기극의

문제는 언젠가 둔 낼 사람이 바닥 만다는 데 있다 이 사기극 은 참여하는

사람이 무한 할 때만 성립한다

피라미드 4개 극에서 공짜 점심은 없다 그런데 우주에서는 사기극이 통할 수 있다

왜냐하면 공짜 점심을 중력이 제공하기 때문이다 중력 에서 빌린 에너지를

다시 중력 에서 빌려 감는 격인데 피라미드 사기 그처럼 반복되는 팽창으로

중력 에너지가 계속 커지기 때문에 가능해진다 인플레이션 때 물가가 상승할

듯 공간이 팽창 하면 공간 속에 숨어있던 에너지도 덩달아 커지고 이게

무한정 공짜 점심을 제공하는 셈이다

임 플라톤은 자신이 팽창 시킨 중력장 에서 자신의 질량을 추가하고 더

팽창 시킨 중력장 에서 더 질량을 추가하고 더더 팽창 시킨 중력장 에서

더 질량을 추가 하고 더더더 팽창 시킨 중력장 에서 더더더 질량을 추가

하고 이런 식으로 끝없이 이어지는 것이다 그래서 그 팽창의 로는 인

플라톤이 사기 캐릭터로 등장하는 우주적 피라미드 4개 극이다

자 이처럼 인 플라톤과 중력에 의해 전혀 없던 것도 새로 생길 수 있다면

에너지 보존 법칙 은 어찌 되는 걸까

이를 이해하려면 중력의 원인이 되는 중력장 2

음의 에너지를 갖고 있다는 걸 이해한다 비유적으로 이야기하면 중력은

일종의 빛 부채이다 여러분이 지금 지구상에 있는 것 자체가 지구로부터

중력의 빚을 진 세미

다 그래서 중력을 벗어나려면 엄청난 에너지가 필요하다

중력 에서 빌린 에너지 빚을 갚아야 하기 때문이다 그래서 중력 에너지

값은 음수 다 이 사실을 받아들이면 인 플라톤이 새로운 는 질량 에

해당하는 양의 에너지는 팽창하는 중력장 에서 만들어지는 음의 에너지 와

상세 되어 총 에너지는 보존된다

이렇게 하면 아무도 없는데서 새로운 에너지와 물질이 계속 만들어진다

그래서 우주는 아무런 외부 간섭 없이도 혼자서 잘 굴러간다

우주적 피라미드 사기극 에 의한 우주적 연구기관의 탄생이다

자 이제 그 팽창 이론에 의해 우주에는 공짜 점심도 생겼고 연구 기관도 생겼다

빅뱅 우주론의 헛점을 나름대로 잘 메워주고 있는 것도 같지만 뭔가 깨는

치카 다 어떻게 과학자들은 이런 황당한 일이 실제로 일어났다 고 믿을 수 있었을까

그것은 그 팽창의 론이 빅뱅 이론이 가지고 있던 치명적인 문제들을

산뜻하게 해결해 주었기 때문이다

그중에 대표적인게 지평선 문제다 그림에서처럼 우리가 우주의 중앙에서

우주를 관측하고 있다 고 하자

빛의 속도는 초속 30만 km 로 한계가 있기 때문에 관측 가능한 우주는

우리를 중심으로 굴을 이루게 된다 1일 우주의 지평선 이라고 부른 나

이제 우주의 지평선 에 있는 a b 두 점을 생각해보자

그림에서 a 지점에 빛이 방금 지구의 도달했다

아비치 반대편 b 지점의 도달하려면 우주의 팽창을 고려하지 않아도 또

138억 년 을 카야 한나 a 지점과 b 지점 은 서로 정보를 교환할

시간이 전혀 없었다는 얘기다

그런데 우주는 ab 를 포함한 우주 전역에 걸쳐 거의 같은 온도를 유지하고 있다

그것도 소숫점 이하 세 자리까지 정확한 절대온도 입점 치료 캐비닛 아

어떻게 공간상의 모든 지역이 이렇게까지 균일한 온도를 갖는 다는 말인가

이건 마치 지구 전체의 대기 온도가 소숫점 이하 세 자리까지 일치 한다는

말과 같다 그리고 이게 바로 악명높은 지평선 문제였다 그 팽창 이론은 이

문제를 너무도 쉽게 해결했다

초기에 균일한 온도를 갖고 있던 공간이 순식간에 팽창했다 는 거다

내방이 눈 깜짝할 순간 지구 만큼 커진다면 지구 전체의 대기 온도는 같아질 수 있다

이처럼 우주도 급속 팽창 이 일어나기 전에 온도를 통일 할 시간이 있었단

얘기다 그래서 스티븐 와인버그 가 이토록 간단한 아이디어 라고 감탄한 것이다

하지만 여기서 끝났다면 그토록 아름다운 이론까지 는 아니었을지 모른다

인플레이션 이론은 소위 우주의 평 탄성 문제도 드라마틱하게 해결한다 평탄

썩 문제란 우주 공간이 관측 쌍 기하학적으로 평평한 우주의 가깝다는 것이다

우주가 평평하다 는 게 뭐가 될 수 일까 아까 우주는 당기는 힘과 팽창

하느님의 줄다리기 라고 했다

만일 팽창하는 힘보다 당기는 힘이 더 쎄면 팽창을 멈추고 한 곳으로 다시

모일 것이고 우주는 다시 빅뱅의 순간으로 함몰 한다

팽창하는 힘이 더 쎄면 영원히 팽창 에서 물질도 모두 해체되고 우주는

어둡고 차가운 공간으로 바뀔 것이다

그리고 여기서 가장 중요한 역할을 하는 것이

중력이 다 중력은 물질을 갖고 있는 질량의 필요하기 때문에 여기서 우주

전체 물질의 밀도가 중요해진다

우주의 밀도를 나타내는 상수 오메가 값이 1보다 크면 중력 효과가 커져서

우주는 다시 수축하고 오메가 값이 1보다 작으면 팽창하는 효과가 더

커져서 계속 팽창 한다는 얘기다 그리고 우제 기하학적 모양 은 오메가

값이 1보다 큰 경우 양의 곡률을 가진 구애 모양 오메가 값이 1보다

작으면 음해 곡률을 가진 말 안장에 모양이 된다

오메가 값이 정확히 일이어야 우주는 평평해 진다 그런데 이것은 우주가

태어난 지 10억분의 1초 쯤 되었을 때의 밀도가 스물 네 자리 까지

정확히 맞아야 가능하다고 한다 그래프에서 가운데 곡산 의 경우 다 따라서

확률상 이런 우주가 만들어 지기는 거의 불가능하다 그런데 그 팽창 이론이

예측하는 우주가 바로 이것이었다

오메가 값이 1인 평평한 우주 그러나 당시의 관측 값은 1이 아닌 0.25 였다

앨런 구스 를 포함한 그 팽창 이론의 진형은 곰의 가깝 c 일이어야

한다고 목소리를 높였지만 공허한 메아리 만 돌아올 뿐이었다

그러나 1998 년 대반전 에서 막이 올랐다

그동안 우리가 관측해 떤 우제 물질은 전체의 25% 정도에 불과했던 것이다

진공 속에 꼭꼭 숨어있던 새로운 에너지가 발견된 것이다

바로 암흑 에너지의 등장이다 과학자들은 경악했다

기존의 오메가 값에 암흑 에너지를 포함 시키자 오메가 값이 1이 되는 것이 아닌가

이것은 마치 구문 모자 속에서 물건들이 쏟아져 나오는 마술 과도 같았다

게다가 인 플라톤이 너무 비현실적이고 황당하다 고 비웃던 사람들도 입을 다물었다

암흑 에너지가 인 플라톤의 강력한 후보로 등장한 것이다

정리해보자 그 팽창의 로는 우주가 인 플라톤 이라는 한톨의 씨앗에서 출발했다고 얘기한다

우주가 현재의 모습이 되기 위해서 초기에 엄청난 속도로 팽창한 시기가

있었다고 한다 이로써 그 팽창 이론은 공짜 점심 문제 지평선 문제 평탄

성 문제를 해결했고 빅뱅의 최신버전으로 강력하게 부상했다

게다가 암흑 에너지의 등장은 인 플라톤의 존재 강력한 힘을 실어줬다

물론 아직 풀어야 할 숙제는 많다 인 플라톤 도그 팽창 도 암흑 에너지

도 아직 정확한 정체를 모른다

하지만 이런 와중에도 큰 팽창 이론은 새롭고 매혹적인 가능성을 암시하고 있었다

우주 자체가 팝콘처럼 계속 튀겨 질 수 있다는 생각이다

관측 가능한 우주 너머에서 이른바 인플레이션은 다중우주 가 신기루처럼

서서히 모습을 드러내기 시작한 것이다